盛慶嬌

摘要： 隨著環(huán)境污染日益嚴重，自由活塞內(nèi)燃發(fā)動機逐漸發(fā)展。該內(nèi)燃機直接直線發(fā)電機，該發(fā)電機會導(dǎo)致曲軸失效。它與內(nèi)燃機連桿系統(tǒng)相連，整個機構(gòu)只在一條直線上運動。它將燃燒室中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子發(fā)電機相比，結(jié)構(gòu)簡單，元件少;此外，內(nèi)燃機能量轉(zhuǎn)換損失小，摩擦小，機械效率高;另外，由于活塞發(fā)動機不受機器的限制，內(nèi)燃機可以在高密度下工作，燃油適應(yīng)性廣。目前，這種特殊的發(fā)動機越來越受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的青睞。

Abstract： With the increasingly serious environmental pollution， free piston internal combustion engines have gradually developed. The internal combustion engine is directly a linear generator， which will cause the crankshaft to fail. It is connected with the connecting rod system of the internal combustion engine， and the whole mechanism only moves in a straight line. It directly converts the chemical energy in the combustion chamber into electrical output. Compared with the traditional rotor generator， it has a simple structure and fewer components. In addition， the internal combustion engine has low energy conversion loss， low friction， and high mechanical efficiency. In addition， because the piston engine is not Due to the limitations of the machine， the internal combustion engine can work at high density and has wide fuel adaptability. At present， this special engine is more and more favored by research institutions at home and abroad.

關(guān)鍵詞： 電機;活塞;往復(fù)運動

Key words： motor;piston;reciprocating motion

中圖分類號：TK45? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0068-02

0? 引言

活塞式內(nèi)燃機是20世紀30年代發(fā)展起來的一種新型電器。由于內(nèi)燃機與直線發(fā)電機直接相連，曲柄連桿機構(gòu)在運行中直接失效。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小的優(yōu)點。因其具有體積小、重量輕、啟停簡單、操作簡單、節(jié)能等優(yōu)點，在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1? 自由發(fā)動機歷史簡述

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染已成為世界各國面臨的兩大嚴重社會問題。為了減少發(fā)動機排放，提高效率，盡管一些科學(xué)家仍在努力改善和優(yōu)化傳統(tǒng)發(fā)動機的性能，但其他科學(xué)家正在研究更有效的非正常發(fā)動機。這引起了發(fā)動機科學(xué)家的廣泛關(guān)注。先進的基于微處理器的控制系統(tǒng)和現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)，如電控燃油噴射和氣門執(zhí)行器，進而對自由活塞發(fā)動機的運行進行了更有效的控制[1]。一般來說，自由活塞發(fā)動機的總活塞發(fā)動機的運動權(quán)是由受其影響的氣壓決定的，并隨發(fā)動機的工況變化而變化。在能量缸膨脹過程中，壓縮氣墊缸的空氣，暫時維持能源缸的所有外部工作，進而控制螺旋中的車輪產(chǎn)生電能。20世紀80年代以來，德國工程師研制出一種雙沖程直流發(fā)動機，不僅可以用作發(fā)動機，還可作為壓縮機、液壓泵和發(fā)電機。自由活塞內(nèi)燃發(fā)動機是在傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機的基礎(chǔ)上取消曲柄連桿機構(gòu)得到的。自由活塞內(nèi)燃發(fā)動機的活塞僅做往復(fù)直線運動且行程不受機械約束[2]。與傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、起停容易等優(yōu)點。由于自由活塞發(fā)動機活塞和自由活塞發(fā)動機的內(nèi)燃機是線性縮回的，并且類似于線性發(fā)電機的運動模式，所以具有線性負載的自由活塞發(fā)動機發(fā)電機是線性發(fā)電機，發(fā)動機和發(fā)電機的一體化設(shè)計使熱能有效地轉(zhuǎn)化為電能。電子控制系統(tǒng)具有良好的可控性和快速響應(yīng)能力。線性發(fā)電機改變了自由活塞發(fā)動機系統(tǒng)的反應(yīng)速度和可控性。線性發(fā)電機可用于發(fā)動機啟動階段，使自由活塞發(fā)動機能夠可靠地自行起飛。但由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的限制，自由活塞式內(nèi)燃機存在著許多固有的缺陷，如部分負載熱效率低、同步機構(gòu)復(fù)雜、體積大等。隨著科技的不斷進步發(fā)展，科學(xué)家轉(zhuǎn)向了曲軸式內(nèi)燃機的研究，自由活塞發(fā)動機的發(fā)展熱潮逐漸降溫，人們逐漸淡忘了這一點。

在科技和電子控制技術(shù)日趨成熟的20世紀末，自由活塞發(fā)動機與過去不同，重新被科學(xué)家重視，側(cè)重研究自由活塞發(fā)動機液壓泵和自由活塞發(fā)動機內(nèi)燃機。這兩種裝置都以自由活塞發(fā)動機為一次能源單元，直接連接二次動力裝置（液壓泵或線性發(fā)電機），直接產(chǎn)生水力能或電能。

國內(nèi)外對液壓自由活塞式內(nèi)燃機的研究開始于上世紀80年代，相關(guān)科研機構(gòu)主要有日本豐橋大學(xué)（ToyohashUniversity），芬蘭的坦佩類工業(yè)大學(xué)（Tampere University of Technology），荷蘭的一家公司以及國內(nèi)浙江大學(xué)和北京理工大學(xué)。一種常見的液壓自由活塞式內(nèi)燃機如圖1所示，內(nèi)燃機活塞與液壓泵剛性連接，燃料燃燒的化學(xué)能通過活塞組件直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茌敵觥?/p>

事實上，在以前的發(fā)動機中，曲柄連接機構(gòu)是其基本結(jié)構(gòu)和強大的傳動裝置。在正常的電機運行中，電池的天然氣加熱擴散，電池中的氣體加熱增加了嚴重的壓力，結(jié)合了最終改變活塞運動。與自由活塞發(fā)動機，它只是一個喚醒能量輸出系統(tǒng)。能量傳遞過程是一個復(fù)雜的過程，復(fù)雜的能量損失是由最強大的。降低發(fā)動機的機械損失。對于存在的這個問題，科學(xué)家們?nèi)栽谂ふ倚碌膯栴}。研究人員發(fā)布了混合電力系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)化率不高，雜化體系中仍然存在負責(zé)任的裂解鍵結(jié)合機制[3]。為了克服傳統(tǒng)發(fā)動機的剛性動力，科學(xué)家們提出了一種新型的混合動力裝置自由活塞發(fā)動機，與傳統(tǒng)的混合動力裝置和發(fā)動機相比，它沒有曲軸和連桿機構(gòu)。直桿的一端與活塞相連，另一端與發(fā)動機的直線發(fā)動機相連?；钊鄬ψ杂梢苿樱虼朔Q為自由活塞發(fā)動機。這種新型電器的優(yōu)點是壓縮比可變，耗電量低，成本低。國內(nèi)外的研究者都非常關(guān)注這種結(jié)構(gòu)的簡單和摩擦的缺乏。

2? 分類及優(yōu)點

2.1 根據(jù)自由活塞式內(nèi)燃機的用途，可以分為以下幾類：①自由活塞發(fā)動機可分為自由活塞發(fā)動機、燃氣輪機裝置和自由活塞發(fā)動機，第一臺發(fā)動機將燃料燃燒產(chǎn)生的氣體輸送到渦輪，然后延伸使其工作，后者主要控制壓縮機提供壓縮空氣。②按活塞向內(nèi)止點回復(fù)的方式，自由活塞發(fā)動機可以分為無專用氣熱氣缸和有專用氣墊氣缸兩類。在以前的發(fā)動機中，活塞縮回所需的能量來自壓縮機的無壓縮空氣量。儲存在壓縮空氣緩沖氣缸中。③根據(jù)燃燒室的數(shù)量、燒瓶的數(shù)量和相對位置，自由活塞發(fā)動機可分為單活塞、雙活塞發(fā)動機類型和往復(fù)式活塞發(fā)動機。一個燃燒室和一個活塞構(gòu)成了單活塞式自由活塞發(fā)動機，并且具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)節(jié)和控制壓縮率和有效的發(fā)動機排氣，但需要空氣彈簧恢復(fù)裝置;此外，單活塞的受力極不平衡，軸向振動大，因此需要額外的調(diào)平裝置或更多的發(fā)動機來降低振動。但是振動比較大，控制進排氣的難度較大。雙活塞發(fā)動機由一個燃燒室和兩個活塞組成。其動力完全平衡，振動最穩(wěn)定。有效地解決了機體的振動問題;無氣缸蓋可有效減少傳熱損失;但是，兩個活塞很難同步，導(dǎo)致壓力比不穩(wěn)定。因此需要一個附加的控制系統(tǒng)和同步裝置，但同時也增加了控制的難度和發(fā)動機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

2.2 自由活塞發(fā)電機的優(yōu)點? ①因為曲柄，連桿，氣門及曲軸箱等結(jié)構(gòu)的取消，自由活塞發(fā)電機的結(jié)構(gòu)變得更加的簡單，且消耗的金屬量變少，其發(fā)電成本和重量降低，所占的空間也相應(yīng)的減少[4]。②自由活塞發(fā)動機僅作一維運動，主要的運動部件是活塞、進氣門和排氣門。因此，這種結(jié)構(gòu)減少了潤滑油，活塞和氣缸壁不受活塞側(cè)向力的影響，從而減少了摩擦磨損，降低了噪聲，從而簡化了曲軸箱的設(shè)計;拆下曲軸箱（傳統(tǒng)發(fā)動機的主要噪聲源）可顯著降低振動和噪聲[5]。③自由活塞發(fā)動機的壓力比是可變的，使這種燃料更具適應(yīng)性。壓力率由負載動態(tài)控制，燃燒效率通過在高負載范圍內(nèi)調(diào)整峰值負載壓力來優(yōu)化。④自由活塞發(fā)動機可以組合多個發(fā)動機，氣缸的數(shù)量和排量是靈活的。由于發(fā)動機之間不需要機械連接，因此只允許操作符合負載條件的氣缸。這是一個很好的瞬態(tài)反應(yīng)，可以很快到達工作位置。

3? 工作原理

往復(fù)式發(fā)動機一般是利用汽油、柴油或者氣體燃料燃燒產(chǎn)生壓力的。通常是一個或一個以上活塞，每個活塞都在氣缸內(nèi)，燃料和空氣的混合物被注入其內(nèi)，然后被點燃（柴油機是被壓燃），產(chǎn)生氣體膨脹，推動活塞向后運動。活塞的這種直線運動通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換成圓周運動。

在生活中較為常見的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)動機（FPLA）。燃料中的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過氣缸膨脹轉(zhuǎn)化為機械能。切斷磁力線并將其轉(zhuǎn)化為電能。具體地說，它由兩臺往復(fù)式活塞發(fā)動機、內(nèi)燃機和一臺直線發(fā)電機的永磁體組成，自由活塞發(fā)動機的內(nèi)燃機燃燒室位于兩端。這兩個活塞通過連桿連接?；旌蠚馔ㄟ^進氣門進入燃燒室。規(guī)則。當(dāng)柱塞向左移動時，它在左側(cè)燃燒室中將可燃混合氣壓縮在一起（同時氣體停止右側(cè)膨脹和感覺過程）。為了將可燃混合物推入右燃燒室（與膨脹和收集過程左端的氣體同時），混合物點燃TDC附近的右端燃燒器。這樣，兩個相對的燃燒室就會點火，帶動帶有永磁體的燃燒棒從鐵芯上來回移動，螺旋流回路發(fā)生變化，產(chǎn)生流動。FPLA是一種一次能源單元（自由活塞發(fā)動機）和直線發(fā)電機的組合，它結(jié)合了兩個優(yōu)點：一是只有一個可動部件作直線往復(fù)運動，活塞不受缸體側(cè)向力的影響;二是曲軸和連桿活塞運動不受限制，上止點位置不固定，壓力系數(shù)可調(diào)，燃油適應(yīng)性廣，促進內(nèi)燃機低壓燃料的運行;進一步分析表明，F(xiàn)PLA將使HCCI新的燃燒模式更容易實現(xiàn)。內(nèi)燃機燃燒產(chǎn)生的排放物可能符合美國極低排放標準（ULEV）。另外，自由活塞發(fā)動機的內(nèi)燃機連桿可由直線發(fā)電機直接轉(zhuǎn)換成電能作為直線發(fā)電機的動力，省去了額外的耦合裝置，例如，通過在傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機和發(fā)電機之間連接軸和營地;所以整個聯(lián)軸器的能量效率很高。

另外比較常見的還有液壓式自由活塞發(fā)動機（hydraulic free piston engine，HFPE）。根據(jù)圖2描述了一個典型的液壓自由活塞發(fā)動機系統(tǒng)的工作原理。假設(shè)裝置最初是靜止的，活塞材料在下止點處于最佳狀態(tài)。使電磁閥進入正確的流量，然后高壓油電池通過15控制閥7進入3液壓腔，產(chǎn)生動力，使自由柱塞向上止點移動，從電子武器的角度看，上述過程是有壓力的;在補償過程結(jié)束時，燃燒室接受噴射的燃油。燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓使自由頭骨獲得更好的推進力，因此液壓油在壓力14下進入液壓室。同時，液壓油通過控制閥5進入高壓側(cè)，液壓室15中的液壓油也處于壓力下，通過控制閥經(jīng)過8流入液壓蓄電池3。對于電動護罩，電動閥包括：此過程處于膨脹階段，但從泵柱塞的角度來看，它屬于帶有噴油嘴的泵。當(dāng)膨脹結(jié)束時，泵的自由柱塞將自然返回下止點。如果電磁閥9仍處于充電狀態(tài)，則液壓蓄電池3這是液壓自由活塞發(fā)動機系統(tǒng)的正常工作機制。

4? 總結(jié)

綜上所述，自由活塞發(fā)動機是一種新型的混合動力發(fā)動機，它是內(nèi)燃機中的直線發(fā)電機和自由活塞發(fā)動機的結(jié)合。自由活塞發(fā)動機摒棄了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機曲柄連桿。機構(gòu)和活塞只作直線運動，且運動規(guī)律可調(diào)。

參考文獻：

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[5]Carter D， Wechner E. The Free Piston Power Pack： Sustainable Power for Hybrid Electric Vehicles[J]. 2003.